CN1967245B - 显微镜及显微镜自动对焦方法 - Google Patents

显微镜及显微镜自动对焦方法 Download PDF

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CN1967245B CN2006101410583A CN200610141058A CN1967245B CN 1967245 B CN1967245 B CN 1967245B CN 2006101410583 A CN2006101410583 A CN 2006101410583A CN 200610141058 A CN200610141058 A CN 200610141058A CN 1967245 B CN1967245 B CN 1967245B
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Abstract

本发明提供一种显微镜及显微镜自动对焦方法。显微镜，包括：光学***，用于放大检体；调焦装置，用于调节光学***的焦点，使其对焦于检体；光学探测器，用于探测通过光学***的光线；测焦装置，用于在光学***相对于检体振动时，根据探测到的透过该光学***的光线，估测光学***对检体的聚焦位置；以及控制器，根据测焦装置测定的对焦位置控制调焦装置。

Description

显微镜及显微镜自动对焦方法
技术领域：
本发明涉及一种具有自动对焦功能的显微镜及显微镜的自动对焦方法。
背景技术：
当将血液涂在载玻片上拍摄其标本中的血球时、当收集尿液中的沉淀物铺在平板上拍摄其标本中的沉淀物时、或拍摄细胞薄片染色制成的标本时都要使用自动显微镜。这种自动显微镜至少有能向XY方向自由移动的载物台和能放大敷于这个载物台载玻片上的血液细胞等检体的显微镜，它具有移动载物台检测观察对象的检测功能以及调节显微镜的透镜与载物台的相对位置、使透镜对焦载玻片上的检体的聚焦功能。
这种自动显微镜一般都作为拍摄被显微镜放大的检体图像的手段使用，也附设能处理所拍图像获取所需分析信息(比如每类血球的数量等)的图像处理设备作为自动分析装置使用(比如请参照特开平7—20124号公报)。
特开平7—20124号公报上记载了分类并计数血液细胞的血球的血液细胞分析仪，该分析仪包括放大敷于载玻片上的血液细胞的显微镜和拍摄该显微镜放大图像的彩色电视摄影机。将敷有血液的载玻片放在显微镜的载物台上，通过载物台驱动电路在XY方向移动载物台，以调整载物台上的载玻片位置，同时通过对焦驱动电路上下(Z方向)变换透镜的位置，用自动对焦***调整聚焦位置。来自显微镜的图像被彩色电视摄影机拍摄，血液细胞的图像在RGB监视器上显示出来。
在前述血液细胞分析仪中，靠移动载物台来调整载玻片的位置，但是依照惯性原理，调整位置后即使停止了载物台，该载物台还会发生余振，一旦在这个余振结束前进行自动对焦，就无法将透镜的焦点对准载玻片上的检体。为此，需要待机一段时间直至余振结束，再进行自动对焦。血液细胞分析要拍摄一定数量(比如100个)的白血球，如果做一个检体分析，每拍摄一次都要等待余振结束的话，仪器的处理速度会放慢。
发明内容：
本发明的范围只由后附权利要求说明书所规定，在任何程度上都不受这一节发明内容的陈述所限。
本发明旨在解决上述技术问题，提供一种显微镜以及自动对焦方法。其中本发明的上述技术目的是通过如下技术方案实现的：
本发明提供一种显微镜，包括：
用于放大检体的光学***；
用于将光学***对焦该检体的调焦装置；
用于探测透过该光学***的光线的光学探测器；
测焦装置，在上述光学***相对于检体还在振动期间，根据光学探测器探测到的光线估测光学***相对于检体的对焦位置；以及
用于根据测焦装置测定的对焦位置控制调焦装置的控制器。
其中由调焦装置移动所述光学***。其中所述光学探测器包含一个有复数个象素的光传感器。其中所述光传感器包含线路传感器。其中所述测焦装置根据相邻的象素信号的强度不同，估测该光学***对焦位置。其中所述光学探测器包含二个光传感器、其中一个光传感器与该光学***之间的光程，其小于该光学***对焦位置与该光学***之间的光程；另一个光传感器与该光学***之间的光程，其大于该光学***对焦位置与该光学***之间的光程。其中所述测焦装置根据一个光传感器的信号计算第一估值，根据另一个光传感器的信号计算第二估值，然后根据所述第一估值和第二估值估测该光学***对焦位置。其中该测焦装置计算所述第一估值和第二估值之差的移动平均值，然后根据所述移动平均值估测该光学***的对焦位置。其中所述控制器在所述光学***相对于所述检体还在振动期间，始终控制所述调焦装置。
本发明所提供的显微镜，还包括：位于所述检体下的光源；其中所述光学探测器探测来自所述光源的透过所述光学***的光线。
本发明还提供一种分析仪，包括：如前述的显微镜；以及用于根据所述显微镜放大的检体图像分析所述检体的分析部分。
本发明进一步提供一种显微镜，包括：
用于放置检体的载物台；
用于移动载物台的载物台移动机构；
用于放大该载物台上的检体的光学***；
用于使光学***对焦到检体的调焦装置；以及
控制器，用于控制调焦装置，使其在光学***因载物台移动机构移动而相对于检体振动时开始调节光学***的焦点对准检体。
所述的显微镜，还包括：测焦装置，用于在光学***随载物台移动机构移动的检体而振动期间，估测光学***相对于检体的位置；其中，控制器根据测焦装置测定的对焦位置控制调焦装置。以及组分检测装置，可在载物台移动期间检测检体的预定组分；其中载物台移动机构使组分检测装置检测的组分置于光学***下。
其中所述组分为白血球。其中载物台移动机构水平移动该载物台。
本发明所提供的一种分析仪，包括：
如前述的显微镜；以及用于根据所述显微镜放大的检体图像分析所述检体的分析部分。
本发明进一步提供一种显微镜自动对焦方法，包括：
将检体放置在用于放大检体的光学***下；
在该光学***相对于检体振动中，估测光学***聚焦检体的对焦位置；以及
根据测定的光学***的对焦位置，调节光学***的焦点使其对焦于检体。
探测透过光学***的光线；其中，根据透过光学***的被探测到的光线估测该光学***的对焦位置。其中估测步骤中的光学***的振动是由在放置步骤移动光学***或检体而引起的。
本发明提供一种分析方法，包括：根据前述自动对焦法调节光学***的焦点于检体上；获得放大的检体图像；以及根据获得的图像分析所述检体。
附图说明：
图1为包括本发明的自动显微镜的一实施方式的血液试样分析仪的结构框图。
图2为白血球检测原理示意图，分别表示：(a)载玻片上的检体扫描图形，(b)线路传感器的视野及其周围的血球，(c)线路传感器的检测信号。
图3为本发明的自动显微镜的一实施方式的主要部分斜视示意图。
图4为二个对焦用传感器的配置示意图。
图5为对焦用传感器取得的信号波形，其中(a)为在偏离对焦位置的传感器的信号波形，(b)为在对焦位置的传感器的信号波形。
图6为二个对焦用传感器的差分积分值与光学***移动量的关系图。其中差分积分值由对相邻像素的信号差做积分获得。
图7为2个对焦用传感器的差分积分值之差与光学***移动量的关系图。
图8为载物台停止后的余振图。
具体实施方式：
下面将参照附图说明本发明的优选实施方式。
本发明的第一方面提供一种显微镜，其包括：用来放大检体的光学***；调焦装置，用于使光学***聚焦到检体上；光学探测器，用来探测穿过光学***的光线；测焦装置，根据在光学***还相对于检体在振动时光学探测器探测到的光线，估测面对检体放置的光学***的对焦位置；以及控制器，用来根据测焦装置测定的对焦位置控制调焦装置。
本发明的第二方面提供一种显微镜，其包括：用于放置试样的载物台；用于移动载物台的载物台移动机构；用于放大载物台上的检体的光学***；用于将光学***焦点调整到检体上的调焦装置；用于控制调焦装置的控制器，当检体因载物台移动而振动、光学***随之振动时，控制器会控制调焦装置开始对焦，使光学***的焦点始终不离检体。
本发明的第三方面提供一种显微镜的自动对焦法，其包括：将一个检体放置在用于放大检体的光学***下；在光学***相对于检体还在振动时，估测光学***对该检体的焦距；以及根据所测焦距调焦。
图1为包含本发明一实施方式的自动显微镜的血液试样分析仪的结构框图。图1为了模块式地显示出仪器的结构，使之通俗易懂，传感器和载玻片盒等配置与实际略有不同。比如，在图1，WBC检测用传感器和自动对焦用传感器为上下配置，但实际上如后面出现的图3所示，两个传感器基本上配置在同一平面上。
前述血液试样分析仪由以下部分构成：自动显微镜A：拍摄被自动对焦的血液检体放大图像；图像处理器B：处理所拍图像、对血液中的白血球进行分类并对该白血球的每类进行计数；计算机(微机)C：包括有与此图像处理器连接、输入各种分析指令的输入设备30和显示所摄图像和分析结果的显示器31。前述图像处理器B和计算机C可以不分别设置，而使计算机C含有图像处理器B的功能，让两者合二为一。
自动显微镜A配有一个光学***3，用于放大平敷于XY载物台1(参照图3)载玻片2上的血液的图像。该光学***3有物镜和目镜，物镜配置于载玻片2旁，目镜在CCD相机14的侧面。前述XY载物台1靠一个载物台驱动单元41前后左右(X方向及Y方向)自由移动，前述光学***3靠一个调焦装置42上下(Z方向)自由移动。载物台驱动单元41有X方向移动用和Y方向移动用2个步进电机(无图示)，受XY载物台驱动电路5驱动控制。调焦装置42有Z方向移动用步进电机(无图示)，受光学***驱动电路4驱动控制。
载玻片2重叠地放在载玻片盒7内，此载玻片盒7靠受盒搬运驱动电路6驱动控制的搬运器(无图示)运送。前述XY载物台1上有卡盘8(参照图3)，可以在停于一定位置的载玻片盒7内的载玻片2前自由进退，并抓住载玻片2纵向的两端，将前述卡盘8伸进载玻片盒7，用该卡盘8前端的可自由开合的爪部8a抓住载玻片2，退出卡盘8，从载玻片盒7抽出载玻片2放到XY载物台1的一定位置。
载玻片2下方有光源灯9，此灯9发出的光通过载玻片2上的血液，再经过配置在光线上的半透明反射镜10和干涉膜11，射入自动对焦用传感器(受光器)12、白血球(WBC)检测用传感器(受光器)13及CCD相机14。根据射入光的信号，用白血球检测器20检测白血球，并用自动对焦***21进行自动对焦。具体而言，该自动对焦***21估测相对于载玻片2停止不动的光学***3的对焦位置，该自动对焦***21有微机和A/D转换电路，根据传感器12发出的信号估测前述光学***3的焦距。该自动对焦***21也可由进行上述测距的电路构成。
前述图像处理器B有A/D转换器15、特征提取处理器16及自动分类处理器17，CCD相机14所拍图像的图像信号通过前述A/D转换器15由模拟信号转换为数字信号。前述特征提取处理器16根据此数字信号计算出白血球的各种特征参数。该特征参数包括：可根据图像的色信号(G、B、R)求出的白血球核面积、核数、凹凸、色调、浓度(深浅不均)；白血球细胞质的面积、色调、浓度(深浅不均)以及前述核和细胞质的面积比、浓度比等。前述自动分类处理器17用这些特征参数自动对白血球种类进行分类并计数。具体地说，比如通过依次将该白血球的几个特征参数与事先设定的各参数的相应判断标准值进行比较，白血球的种类就可逐渐明朗。这样，被摄白血球被分成淋巴球、单核球、嗜酸性球、嗜碱性球、嗜中性球(杆状、分叶状)等成熟白血球类、芽球、幼弱顆粒球、异型淋巴球等未成熟白血球类和红芽球类。
下面就本实施方式的自动显微镜中的自动对焦的一系列过程进行说明。
白血球检测
在自动对焦前首先要检测涂敷于载玻片2上的血液中的白血球，这一检测由前述传感器13进行。传感器13为线路传感器，其视野为400μm左右。XY载物台1向X方向和Y方向移动(参照图2(a))，使传感器13从载玻片2的纵向一端向另一端略呈之字线地扫描。前述略呈之字状的扫描其沿载玻片2纵向的间隔D从防止漏检并提高扫描效率的观点出发通常为300μm左右，前述扫描的沿载玻片2横向尺寸H通常为16mm左右，因为载玻片2的宽度一般为26mm左右。
白血球WBC的核会大量吸收光的红色成份，因此，检测其红色成份，就可很容易地区分白血球WBC和红血球RBC。图2(b)显示线路传感器視野V内存在白血球WBC，此时，线路传感器检测出的信号的红色成份如图2(c)所示，在存在白血球WBC的地方低于标准值S。利用此现象可以检测血液中的白血球。通过检测信号的红色成份低于标准值S的宽度W即可检查发出此信号的部分是否为白血球。
自动对焦(非振动时)
本实施方式的自动显微镜在载玻片2与光学***3之间产生相对振动时，不是等该振动结束后再进行自动对焦动作，而是在该振动发生期间实施自动对焦动作。首先就不存在影响图像品质的振动时的自动对焦动作进行说明。
图3是本发明自动显微镜的一实施方式的主要部分斜视示意图，透过载玻片2和光学***3的光线因棱镜18而改变方向，又因半透明反射镜19而分成射向CCD相机14的光线和射向传感器12、13的光线。传感器12为自动对焦用传感器(线路传感器)，由两个传感器12a和12b组成。传感器13为白血球检测用传感器(线路传感器)。
如图4所示，在光学***3的载玻片两侧的焦点对准载玻片的状态下，两个自动对焦用传感器12a、12b其中之一的传感器12a在聚焦位置44(光学***3的CCD相机14一侧的焦点对准的位置)前面(接近光路上光学***3一侧)，另一个传感器12b在聚焦位置45(光学***3CCD相机14一侧的焦点对焦的位置)的后面(光路上离开光学***3一侧)。
在聚焦位置上的传感器信号波形因为所谓对比清晰，如图5(b)所示，振幅很大，另一方面，在未对焦即焦点没对准的位置的传感器的信号波形因对比不清晰，故如图5(a)所示，整体平缓，振幅很小。线路传感器通常为2000个左右的像素直线排列，但从对这个线路传感器相邻像素的信号差做积分所得的值(以下将此积分值称为差分积分值)来看，对焦越准，此差分积分值就越大。
图6显示了以光学***3移动量为横轴的前述两个传感器各自的差分积分值。Ai为传感器12a的差分积分值，Bi为传感器12b的差分积分值。当光学***3从其载玻片两侧焦点对准载玻片2的状态偏离载玻片2μm左右的时候，CCD相机14一侧对焦，传感器12a的差分积分值Ai为峰值，传感器12b正相反，当光学***3从其载玻片两侧焦点对准载玻片2的状态接近载玻片2μm左右的时候，CCD相机14一侧对焦，差分积分值Bi为峰值。
如果传感器只有一个、比如只有传感器12a，则无法判断光学***3向哪方移动差分积分值Ai为峰值，此时要对焦，就必须试验性地经过多次失败地移动光学***3，结果自动对焦很费时。对此，用前述办法配置2个传感器，如图7所示，求2个传感器的差分积分值之差(Ai—Bi)即可在短时间内准确对焦。即，面对Ai—Bi＝0方向移动光学***3，即可轻松地自动对焦。
自动对焦(振动时)
如图7所示，尽管在某个状态中前述(Ai—Bi)值有一个值，但是，比如为了检测白血球而移动XY载物台1，检测完后又停止该XY载物台1或人和物碰到放置自动显微镜的桌子等地方，则前述XY载物台1上放置的载玻片和显微镜镜头之间会产生相对振动，那么前述(Ai—Bi)值也会以与该振动略同的周期变动。比如：停止移动的XY载物台1时，XY载物台发生余振(即，光学***3相对于载玻片2发生振动)，本实施方式的自动显微镜A利用前述(Ai—Bi)值，在此余振结束前开始移动光学***3。
图8为光学***3载玻片两侧焦点对焦于载玻片2时，检测白血球后刚停止XY载物台的(Ai—Bi)值。到余振结束前，前述(Ai—Bi)值一直在正负之间徘徊，因此，振动中无法根据此值确定光学***在Z轴上的移动方向对焦。
然而，前述(Ai—Bi)值以非振动值(无振动时的值)为中心，向正负两方面变动差不多，因此，可以通过对前述(Ai—Bi)值做移动平均值计算，使其包含此变动的一个周期值，大概地估测出振动结束时(Ai—Bi)值。换言之，能估测出振动时焦点的位置，根据估测的聚焦位置，光学***驱动电路4驱动调焦装置42移动光学***3，使光学***3在相对于载玻片2振动期间便对焦于载玻片上的检体，即振动结束时(Ai—Bi)值为0。
前述载玻片与显微镜镜头之间相对的振动的周期依装置的重量和材料以及机器装配时决定的固有振动数等不同。先求设计的自动显微镜的固有振动数，再平均该振动周期的值，就可求得移动平均值。比如，自动显微镜的振动周期为5msec，则每1msec算出前述(Ai—Bi)的值，求出最近的5个移动平均值，就可知道过去一个周期的值的移动平均值，从所得移动平均值就可知道(Ai—Bi)的值(振动结束时的值)为正还是为负。根据此移动平均值移动光学***3，尽管在振动中也可准确知道自动对焦方向，开始自动对焦。即使图8所示20msec附近的振动很大时，也能估测出对焦位置。反复多次这种移动平均值计算和依此值移动光学***3，随着振动减小(结束)自动对焦也完成。当自动对焦***21探测到光学***3振动的大小小于一定值后，CCD相机14即拍摄检体，并将图像信号传送给图像处理器B。
如上所述，本发明的自动显微镜即使XY载物台1上放置的载玻片和显微镜镜头之间因移动前述XY载物台或人和物碰到放置该自动显微镜的桌子等地方而产生相对振动，也会一边在振动中回避其影响，一边实施自动对焦动作，因此，与振动结束后才开始自动控制对焦的过去的自动显微镜相比，大大缩短了自动对焦所需要的时间。具体来说，过去，检测白血球，停止XY载物台的移动后要待机50msec左右，等余振结束后实施自动对焦，而在本实施方式中，可以在振动发生期间实施自动对焦动作，自动对焦所需时间至少缩短了前述待机时间。从而，当拍摄检体的放大图像、根据所得图像进行各种处理时，实现处理高速化。
另，前述实施方式是上下移动光学***3来调焦，也可以采取上下移动XY载物台1的结构。还可以在光学***3内置的镜头当中，只上下移动特定的镜头来调焦。关于载玻片和显微镜镜头之间的相对振动周期，既可以在组装自动显微镜时测定，并根据其测定值决定计算(Ai—Bi)值的时间间隔和求移动平均值的数量(求最近的几个移动平均值？)；也可以在每次停止XY载物台8msec以上的期间内连续求前述(Ai—Bi)值，对该值做FFT频率分析，求最大强度(振幅)的频率，计算1个周期的长度，根据此长度决定计算(Ai—Bi)值的时间间隔和求移动平均值的数量。
根据上述实施方式，自动对焦***21估测光学***3的对焦位置和光学***驱动电路4移动光学***3都是在光学***3和载玻片2之间发生相对振动期间进行，但也可以在光学***3和载玻片2之间发生相对振动时只进行自动对焦***21对光学***3的对焦位置的估测，光学***3的移动在光学***3的振动确已结束后再进行。
在上述实施方式中，使用二个传感器作为自动对焦用传感器，也可使用1个传感器调整光学***3的对焦位置。另外，虽然传感器用的是路线传感器，也可用面传感器。

Claims (16)

1.一种显微镜，包括：
用于放大检体的光学***；
用于将光学***对焦该检体的调焦装置；
用于探测透过该光学***的光线的光学探测器；
测焦装置，在上述光学***相对于检体还在振动期间，根据光学探测器探测到的光线估测光学***相对于检体的对焦位置；以及
用于根据测焦装置测定的对焦位置控制调焦装置的控制器；其中，
所述光学探测器包含二个光传感器，其中一个光传感器与所述光学***之间的光程小于所述光学***的对焦位置与所述光学***之间的光程，另一个光传感器与所述光学***之间的光程大于所述光学***的对焦位置与所述光学***之间的光程；
所述测焦装置根据一个光传感器的信号计算第一估值，根据另一个光传感器的信号计算第二估值，然后根据所述第一估值和第二估值估测所述光学***的对焦位置；
所述测焦装置计算所述第一估值和所述第二估值之差的移动平均值，然后根据所述移动平均值估测所述光学***的对焦位置。
2.根据权利要求1所述的显微镜，其中调焦装置移动所述光学***。
3.根据权利要求1所述的显微镜，其中每一个所述光传感器包含复数个象素。
4.根据权利要求3所述的显微镜，其中每一个所述光传感器为线路传感器。
5.根据权利要求3所述的显微镜，其中所述测焦装置根据相邻的象素信号的强度不同，估测该光学***对焦位置。
6.根据权利要求1所述的显微镜，还包括：位于该检体下的光源；其中所述光学探测器探测来自该光源的透过所述光学***的光线。
7.根据权利要求1所述的显微镜，其中所述控制器在所述光学***相对于所述检体还在振动期间，始终控制所述调焦装置。
8.一种分析仪，包括：
如权利要求1所述的显微镜；以及
用于根据所述显微镜放大的检体图象分析所述检体的分析部分。
9.一种显微镜，包括：
用于放置检体的载物台；
用于移动载物台的载物台移动机构；
用于放大该载物台上的检体的光学***；
用于使光学***对焦到检体的调焦装置；
用于探测透过该光学***的光线的光学探测器；
测焦装置，根据光学探测器探测到的光线估测光学***相对于检体的对焦位置；以及
控制器，用于根据所述测焦装置所估测的对焦位置控制调焦装置，使其在光学***因载物台移动机构移动而相对于检体振动时开始调节光学***的焦点对准检体；其中，
所述光学探测器包含二个光传感器，其中一个光传感器与所述光学***之间的光程小于所述光学***的对焦位置与所述光学***之间的光程，另一个光传感器与所述光学***之间的光程大于所述光学***的对焦位置与所述光学***之间的光程；
所述测焦装置根据一个光传感器的信号计算第一估值，根据另一个光传感器的信号计算第二估值，然后根据所述第一估值和第二估值估测所述光学***的对焦位置；
所述测焦装置计算所述第一估值和所述第二估值之差的移动平均值，然后根据所述移动平均值估测所述光学***的对焦位置。
10.根据权利要求9所述的显微镜，还包括：
组分检测装置，可在载物台移动期间检测检体的预定组分；
其中载物台移动机构使组分检测装置检测的组分置于光学***下。
11.根据权利要求10所述的显微镜，其中所述组分为白血球。
12.根据权利要求9所述的显微镜，其中载物台移动机构水平移动该载物台。
13.一种分析仪，包括：
如权利要求9所述的显微镜；
分析部分，用于根据所述显微镜放大的检体图象分析该检体。
14.一种显微镜自动对焦方法，包括：
将检体放置在用于放大检体的光学***下；
由光学探测器探测透过光学***的光线；
在该光学***相对于检体振动中，估测光学***聚焦检体的对焦位置；以及
根据测定的光学***的对焦位置，调节光学***的焦点使其对焦于检体；
所述光学探测器包含二个光传感器，其中一个光传感器与所述光学***之间的光程小于所述光学***的对焦位置与所述光学***之间的光程，另一个光传感器与所述光学***之间的光程大于所述光学***的对焦位置与所述光学***之间的光程；
所述测焦装置根据一个光传感器的信号计算第一估值，根据另一个光传感器的信号计算第二估值，然后根据所述第一估值和第二估值估测所述光学***的对焦位置；
所述测焦装置计算所述第一估值和所述第二估值之差的移动平均值，然后根据所述移动平均值估测所述光学***的对焦位置。
15.根据权利要求14所述自动对焦方法，其中估测步骤中的光学***的振动是由在放置步骤移动光学***或检体而引起的。
16.一种分析方法，包括：
根据权利要求14所述的显微镜自动对焦方法调节光学***的焦点于检体上。
获得放大的检体图象；以及
根据获得的图象分析所述检体。
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